Диссертация (Разработка способа и алгоритмов управления электрическими печами сопротивления, обеспечивающих временную и пространственную равномерность нагрева)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиГОРЯЧИХ ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНАРАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЕЧАМИ СОПРОТИВЛЕНИЯ,ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ВРЕМЕННУЮ ИПРОСТРАНСТВЕННУЮ РАВНОМЕРНОСТЬ НАГРЕВАСпециальность 05.09.10 – ЭлектротехнологияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительд.т.н, зав. кафедрой АЭТУСФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»Щербаков А.В.Москва - 2016ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................

4ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ КЕРАМИКИ . 121.1. Технологический процесс обжига керамических изделий .......................... 121.2. Конструкции современных ЭПС для термообработки керамическихизделий ..................................................................................................................... 161.3. Тенденции развития систем управления и регуляторов температурыэлектрических печей сопротивления ....................................................................

261.4. Формулирование целей и задач исследования.............................................. 32Выводы по главе 1 ................................................................................................... 34ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА УТОЧНЕННЫХ МОДЕЛЕЙ ЭПС ДЛЯТЕРМООБРАБОТКИ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ .................................

352.1 Постановка задачи по разработке уточненных моделей............................... 352.2. Разработка уточненной модели электрической печи сопротивления ........ 382.3. Регулятор температуры ЭПС с ограничением температурынагревательных элементов .....................................................................................

462.4. Регулятор температуры ЭПС с компенсацией разности температурв тепловых зонах печи ............................................................................................ 512.5. Регулятор температуры ЭПС с ограничением тока нагревателей .............. 542.6. Разработка математической модели нагревателяиз дисилицида молибдена ...................................................................................... 59Выводы по главе 2 ................................................................................................... 64ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИУПРАВЛЕНИЯ ЭПС ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ КЕРАМИЧЕСКИХИЗДЕЛИЙ ...............................................................................................................

653.1 Исследование влияния места установки датчика температуры ................... 653.2. Исследование систем управления ЭПС с ограничением температурынагревательных элементов ..................................................................................... 69Страница | 23.3. Исследование системы управления ЭПС с компенсацией разницытемператур в тепловых зонах печи........................................................................ 713.4. Исследование систем управления ЭПС с нагревателями из дисилицидамолибдена.................................................................................................................

76Выводы по главе 3 ................................................................................................... 84ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИУПРАВЛЕНИЯ ЭПС ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ КЕРАМИЧЕСКИХИЗДЕЛИЙ ...............................................................................................................

854.1 Разработка уточненной имитационной модели электрической печисопротивления ......................................................................................................... 854.2. Разработка программного пакета для расчета передаточной функцииэлектрических печей сопротивления "Transfer function calculation" .................

934.3. Экспериментальное исследование температурных режимов ЭПС ............ 994.4. Учет неоднородности ЭПС на основе экспериментальныхисследований ......................................................................................................... 106Выводы по главе 4 ................................................................................................. 113ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................................

114СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................. 116ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................................... 126Страница | 3ВВЕДЕНИЕВ различных отраслях промышленности получили распространениеэлектрические печи сопротивления (ЭПС) периодического действия длятермообработки керамических изделий.Химические и физические процессы, протекающие при обжигекерамическихобразующихсяматериалов,фаз,ихобуславливаютсоотношение,составразмер,ихарактеристикуформуивзаимноерасположение структурных элементов (включая поры), изменение массы иобъема керамического тела. Тем самым эти процессы определяют веськомплекс физических, механических и химических свойств керамики, атакже получение изделий заданных размеров и форм [47].Цикл обжига керамических изделий состоит из периодов нагрева,выдержки в области максимальных температур и охлаждения. Конечнаятемпература обжига и продолжительность выдержки обуславливаетсякомплексом требований к свойствам изделия.

Скорость процессов спекания вобжиге возрастает с температурой. Эту зависимость в ряде случаев можноиспользовать, варьируя соотношение температуры и продолжительностивыдержки, получая в конечном счете желаемый технологический результат.Период нагрева является весьма сложной стадией обжига. Основнаязадачазаключаетсямаксимальнойвтом,температуры,чтобынагретьизбежавприизделиеэтомдоеготребуемойразрушения(повреждения). Опасность разрушения изделий вызывается в основномобъемными изменениями при нагреве и в ряде случаев интенсивнымипроцессами массообмена.ПродолжительностьвыдержкиизделияприобжигевЭПСпериодического действия зависит от условий выравнивания температуры вобъеме печи.Технологический процесс термообработки керамических изделийтребует обеспечения высокой равномерности нагрева в рабочей камере печидля повышения качества обрабатываемых изделий и снижения брака.

ПриСтраница | 4этом величина допустимого перепада температуры лимитирует скоростьнагрева во всем диапазоне температур.С целью улучшения энергетической эффективности электрическихпечей сопротивления и получения изделий с заданными характеристиками иформами, а также снижения брака для термообработки керамическихизделий необходимо повышать равномерность нагрева в рабочей камерепечи.Одним из способов повышения равномерности нагрева в ЭПС являетсяразделение нагревательного блока на тепловые зоны.Однако, при таком способе повышения равномерности нагрева дажепри одинаковой уставке температуры в каждом регуляторе можетнаблюдаться существенная разность температур в различных тепловых зонахв процессе нагрева вследствие различия тепловых постоянных времени, ивводимых мощностей в каждую из тепловых зон.Для снижения разности температур различных тепловых зон в процессенагрева предлагается вводить автоматическую коррекцию мощности,поступающей в тепловую зону, в зависимости от разности температур [69,72, 83].Учитывая вышеперечисленные особенности, следует отметить, чтоприменение общепромышленных печей для ряда процессов обжигакерамическихизделийприводиткснижениюхарактеристикобрабатываемого изделия.

В связи с этим, необходимо разрабатыватьспециальные ЭПС с модернизированными конструкциями нагревательныхкамер и систем автоматического управления для повышения качестваобрабатываемого изделия.В настоящее время заводы-изготовители предлагают широкий рядтипоразмеров ЭПС для термообработки керамических изделий. При этом,получилираспространениеустановкикакспрямоугольной,такицилиндрической рабочей камерой, а также муфельные ЭПС [50, 62]. Однако,актуальным вопросом остается необходимость модернизации системыСтраница | 5автоматическогоуправления(САУ)установкой.Применениеновыхалгоритмов управления в совокупности с постоянно развивающейсяэлементной базой позволяет повысить количественные и качественныепоказатели регулятора мощности и всей установки в целом.Основным узлом любой электрической печи сопротивления являетсянагреватель.

Работа нагревателей происходит обычно в очень тяжелыхтемпературных условиях, часто при предельно-допустимых температурахдля материала, из которого они выполнены [15, 17, 27, 34].Срок службы нагревателей зависит от очень многих факторов:материала нагревателей, его конструкции и печи в целом, режима работы,способа регулирования температуры, а также многих других.Встандартныхрегуляторахтемпературыотсутствуетконтрольтемпературы на нагревательных элементах печи. Это приводит к ихперегреву и существенному снижению срока службы.

Для решения этойпроблемы целесообразно разрабатывать модели, позволяющие сэкономитьвремя на подборке оптимальных динамических характеристик, а такженастройкерегуляторасограничениемтемпературынагревательныхэлементов.В качестве материалов нагревателей в средне- и высокотемпературныхЭПС,предназначенныхдлятермообработкикерамическихизделийприменяют: нихром (до 1200 оС ), фехраль (до 1350 оС), kanthal А1(1400 оС),карбид кремния SiC (до 1600 оС), хромит лантана (до 1750 оС), дисилицидмолибдена (до 1800 оС) [4, 17, 27, 34, 35].В связи с тем, что любой из материалов нагревателей длявысокотемпературных ЭПС накладывает ряд особенностей на построениесистемы питания и управления, необходимо разрабатывать уточненныемодели, учитывающие эти особенности и позволяющие проектироватьсистему управления с требуемыми свойствами.Страница | 6ВрядеЭПСдлятермообработкикерамическихизделийнатемпературы свыше 1400 oС применяются нагреватели из дисилицидамолибдена.Характерной особенностью таких нагревателей является высокоезначение температурного коэффициента электрического сопротивления [4,17, 27, 34].